ВОПРОСЫ ТЕОРИИ. И ИННОВАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ. ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ. ГЕЛИОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

Одним из основных условий освоения промышленно­стью современной конструкции солнечных коллекторов является наличие системы государственных стандартов, ориентирующих разработчика на лучшие мировые образцы коллекторов. В настоящее время в России действуют следу­ющие нормативные документы: ГОСТ Р 51595-2000. Кол­лекторы солнечные. Общие технические условия [34], ГОСТ Р 51596-2000. Коллекторы солнечные. Методы испытаний [35]. В соответствии с [34] коллекторы должны подвергать­ся приемо-сдаточным, периодическим, типовым и прие­мочным испытаниям. В перечисленных видах испытаний отсутствует определение основной энергетической харак­теристики коллектора, которая позволяет оценить его те-

плотехническое совершенство. На основе общепризнанной математической модели Хотте ля - У и л лера - Блисса

КПД солнечного коллектора определяется по формуле

где дпол - полезная тепловая мощность коллектора, Вт/м2; Е - плотность потока суммарной солнечной радиации в плоскости коллектора, Вт/м2; т - пропускательная способ­ность прозрачной изоляции; а - поглощательная способ­ность панели коллектора; UL — общий коэффициент тепло­вых потерь, Вт/(м2К); ta — средняя температура жидкости в коллекторе, К; tB - температура окружающего воздуха, К; F' - коэффициент эффективности поглощающей панели.

Для оценки эффективности солнечных коллекторов по формуле (3.5) необходимы значения параметров т, a, F', UL. С учетом изменяющихся при работе коллектора интенсив­ности суммарной солнечной радиации, температур тепло­носителя и окружающего воздуха расчеты по данной фор­муле не имеют практического значения. Для объективной оценки тепловой эффективности солнечных коллекторов на практике в России применяют полученные на основе формулы (3.5) эмпирические зависимости вида (3.6), в Гер­мании вида (3.7):

ц = а-Ьх, (3.6)

Л = По-*і*-*2^ж-0*> (3.7)

где а = F'xа, Ъ = ULF', х = (£ж - tJE; т|о- оптический КПД коллектора, т. е. наибольший КПД коллектора при ра­венстве температур теплоносителя и окружающего воз­духа; kv k2 - коэффициенты тепловых потерь солнечного коллектора.

На рис. 3.16 представлены типовые энергетические ха­рактеристики нескольких видов солнечных коллекторов: без прозрачной изоляции, с неселективным покрытием те­плопоглощающей панели и одинарным остеклением, с се­лективным покрытием и одинарным остеклением, вакуу- мированного трубчатого. Энергетические характеристики выражают зависимость КПД различных видов коллекто­ров от комплексного показателя X, определяемого перепа­дом температур теплоносителя и окружающего воздуха и интенсивностью суммарной солнечной радиации.

Рис. 3.16.

Эффективность различ­ных типов солнечных коллекторов:

1 - вакуумированный трубча­тый; 2 — селективный с оди­нарным остеклением; 3 - не­селективный с одинарным остеклением; 4 - без прозрач­ной изоляции

В соответствии с мировой практикой солнечные кол­лекторы каждого производителя должны иметь такую энергетическую характеристику, определенную специа­лизированной испытательной организацией по соответ­ствующему стандарту. Стандарты России [34, 35] введены впервые, но, по существу, основаны на стандарте СССР, в котором была методика испытаний солнечных коллекто­ров (приложение 3, обязательное) с занесением в паспорт коллектора аналогичной зависимости. Имелась также методика определения пропускательной способности про­зрачной изоляции солнечных коллекторов относительно солнечного излучения (приложение 2, обязательное).

Российскими и украинскими учеными разработан проект межгосударственного стандарта, развивающего и дополняющего указанные материалы. Данный проект предусматривает требования к энергетическим характе­ристикам имитатора солнечного излучения и испытаниям по определению тепловой эффективности. В СССР испыта­ния солнечных коллекторов с построением энергетических характеристик проводились на стендах Энергетического института им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН, Москва), института «КиевЗНИИЭП», полигона ИВТАН в Махач­кале. Стенды ЭНИН и КиевЗНИИЭП были оборудованы имитаторами солнечного излучения, и только на стенде ИВТАН проводились натурные испытания [37, 38]. До­стоверные энергетические характеристики получены на стенде ЭНИН только для солнечных коллекторов пред­приятия «Радуга-Ц» и Ковровского механического завода. В настоящее время российскими стандартами [34, 35] не регламентируется определение энергетической характери­стики солнечных коллекторов. В то же время в ГОСТ Р [35] имеется обязательное приложение В, на рисунке ВЗ, В4 ко­торого представлены схемы испытательного стенда, кото­рые косвенным образом указывают на объем необходимых испытаний.

Для условий России целесообразно использование норм Европейского Союза [39], которые аккумулировали опыт стандартизации в США, Великобритании, Франции и Гер­мании (DIN 4657): EN 12975-1 Коллекторы. Часть 1 - Об­щие требования; EN 12975-2 Коллекторы. Часть 2. Методы испытаний. Допускаемые стационарные и динамические методы тестирования коллекторов; EN 12976-1 Комплект­ная установка. Общие технические требования; EN 12976­2 Комплектная установка. Часть 1. Методы испытаний комплектных установок без дополнительного нагрева в ак­кумуляторе, проверяемые по CSTG-методу. Комплектные установки проверяемые с применением DST-метода; EN 12977-1 Специфические сведения по комплектным уста­новкам. Часть 1. Общие требования; EN 12977-2 Специ­фические сведения по комплектным установкам. Часть 2. Методы испытаний проверки по CTSS-методу; EN 12977-3 Специфические сведения о комплектных установках. Часть 3. Проверка производительности солнечного водяно­го аккумулятора.

Объективность сопоставления энергетических характе­ристик различных конструкций солнечных коллекторов может быть обеспечена при их испытаниях по одной мето­дике, одинаковых исходных данных, использовании одно­типного оборудования и приборов.

В России методики испытаний солнечных коллекторов наиболее полно исследованы С. Е.Фридом [40, 41]. Методи­ки тепловых испытаний подразделяются в зависимости от принятой математической модели на стационарные (или квазистационарные) и динамические (нестационарные). Математические модели для стационарных методов испы­таний основаны на классическом уравнении Хоттеля-Уил - лера-Блисса для коллектора с нулевой теплоемкостью. По условиям проведения стационарные методы подразделя­ются на натурные, например, по методике Национально­го бюро стандартов (НБС) США, и лабораторные. Натур­ные стационарные испытания наиболее полно отвечают реальным условиям работы солнечных коллекторов, но отличаются большой трудоемкостью и сложностью сопо­ставления. В России такие испытания проводились на по­лигоне Института высоких температур РАН (Махачкала) на стенде базовой лаборатории энергосбережения и нетра­диционных источников энергии Академии коммунального хозяйства в г. Краснодар. Данный стенд был сооружен под руководством автора для натурных тепловых и гидравли­ческих испытаний солнечных коллекторов. Он состоял из поворотной рамы размерами 2x2,5м, с изменением азиму­тальных углов ± 90°, углов наклона над уровнем горизонта 0-90°, бака-аккумулятора емкостью 300 л, вспомогатель­ного оборудования.

Лабораторные стационарные испытания проводятся с использованием имитаторов солнечного излучения, и, так называемым, темновым способом. Испытания с использова­нием имитаторов в России производились в Энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского и Институте высоких температур РАН. При этом оптический КПД коллектора мо­жет быть определен с погрешностью 2 %, а показатель те­пловых потерь с погрешностью 0,5 % [41]. Примером опре­деления тепловых характеристик солнечных коллекторов лабораторным темновым способом может служить работа [38] выполненная под руководством Б. В.Тарнижевского. Математические модели для динамических методик испы­таний подразделяются на одноэлементные (средней темпера­туры и теплоемкости всего коллектора) и многоэлементные с параметрами каждого элемента коллектора. Примером трехэлементной динамической математической модели мо­гут служить аналитические зависимости С. Е. Фрид а [41].

Анализ зарубежного опыта, и в частности таких испы­тательных организаций, как Фраунгоферовский институт (Германия, г. Фрайбург), Центр испытаний высшей шко­лы (Швейцария, г. Рапперсвил), Штутгардский институт термодинамики (Германия) [43, 44] показал, что наиболее объективно сочетание лабораторных методов исследова­ний с имитатором солнечного излучения и испытаний в на­турных условиях.

С учетом изложенного можно сделать следующие ВЫВО­ДЫ [42]:

- для объективной оценки конструкций солнечного коллектора необходимо иметь его достоверную энергетиче­скую характеристику, полученную стандартным методом испытаний. Российские производители солнечных кол­лекторов в настоящее время, в основном, таких данных не имеют;

- требуется доработка российского стандарта ГОСТ Р 51596-2000 в части методики испытания солнечных кол­лекторов, сооружение сертификационного центра для про­ведения испытаний как с имитаторами солнечного излуче­ния, так и в натурных условиях;

- до реализации рекомендаций предыдущего пункта из­готовителю солнечных коллекторов целесообразно руко­водствоваться нормами Евросоюза EN 12975, а испытания производить в одном из европейских сертификационных центров;

- установлено, что для анализа тепловой эффективности конструкции солнечного коллектора недостаточно только энергетической характеристики. Необходимо располагать показателем, соотносящим теплотехническое качество коллектора с его стоимостью.